Traumatology and Orthopedics of RussiaTraumatology and Orthopedics of RussiaТравматология и ортопедия России2311-29052542-0933Vreden National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics42910.21823/2311-2905-2011-0-2-93-100Theoretical and experimental studiesТеоретические и экспериментальные исследованияTheoretical and experimental studiesHIERARCHIC SKELETAL ORGANIZATION – A FACTOR REGULATING THE STRUCTURE OF FATIGUE INJURIES. PART III. MODELING THE INITIAL STAGE OF THEIR DEVELOPMENTИЕРАРХИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ СКЕЛЕТА – ФАКТОР, РЕГЛАМЕНТИРУЮЩИЙ СТРУКТУРУ УСТАЛОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ. ЧАСТЬ III. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАЧАЛЬНОГО ЭТАПА РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙAvruninA. S.АврунинА. С.
Russian Federation

д.м.н., старший научный сотрудник отделения диагностики заболеваний и повреждений ОДС

journal@rniito.orgTikhilovR. M.ТихиловР. М.
Russian Federation

д.м.н., профессор, директор

ParshinI. K.ПаршинЛ. К.
Russian Federation

к.т.н., доцент кафедры сопротивления материалов

MelnikovB. E.МельниковБ. Е.
Russian Federation

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой сопротивления материалов

ФГУ «Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена» Минздравсоцразвития РоссииКафедра сопротивления материалов СПб государственного политехнического университета30062011172931000711201607112016https://journal.rniito.org/jour/article/view/429

The authors describe general conditions of fatique injuries (FI) initiation and development, and discuss the conformity between hierarchic skeletal organization levels and spatial differentiation of the initial FI types – local discrete and local meshlike. The former includes “sacrificial bonds” disruption, shearing along the hydrate level of inter-crystalline complexes, destruction of bonds between crystalline complexes. This lesion type may go through a process of self-remedying after annihilation of forces and spatial approximation of the involved structures. The local mesh-like FI type is characterized by destruction of the majority of adjacent structures and spatial unification of injuries (structural “loosening”). This type of lesion increasing in its dimensions creates discrepancy areas within itself forming the basis for fissure formation. This structural state of a fatigue injury is considered as intermediate between a diffuse lesion and a crack.

В работе выделены общие условия возникновения и развития усталостных повреждений (УП) и определено соответствие уровней иерархической организации скелета пространственной дифференцировке начальных типов УП – локально-дискретным и локально-сетевым. К первым относятся разрывы «жертвенных связей», срез по гидратному слою межкристаллитных соединений, разрушение перемычек между объединениями кристаллитов. Эти повреждения могут самовосстанавливаться после прекращения действия нагрузок и пространственного сближения поврежденных структур. Локально-сетевой тип УП характеризуется разрушением большинства расположенных рядом структур и пространственным объединением повреждений (структурное «разрыхление»). Подобный тип повреждения, увеличиваясь в размерах, создает участки неоднородности внутри себя, что является основой для формирования трещин. Это структурное состояние зоны усталостного повреждения авторы рассматривают как промежуточное между диффузным повреждением и трещинами.

fatigue injuries of bonesусталостные повреждения кости1. Аврунин, А.С. Взаимосвязь морфофункциональных сдвигов на разных уровнях иерархической организации кортикальной кости при старении / А.С. Аврунин, Л.К. Паршин, А.Б. Аболин // Морфология. – 2006. – № 3. – С. 22 – 29.2. Аврунин, А.С. Адаптационная модель потери губчатой кости при старении / А.С. Аврунин, Р.М. Тихилов, Л.К. Паршин, И.И. Шубняков // Гений ортопедии. – 2007. – № 1. – С. 100 – 111.3. Аврунин, А.С. Механизм жесткости и прочности в норме и при старении организма. Наноуровневая модель/ А.С. Аврунин, Р.М. Тихилов, Л.К. Паршин, И.И. Шубняков // Гений ортопедии. – 2008. – № 3. – С. 59–66.4. Аврунин, А.С. Иерархическая организация скелета – фактор, регламентирующий структуру усталостных повреждений. Часть I. Теоретическое обоснование / А.С. Аврунин [и др.] // Травматология и ортопедия России. – 2009. – № 3. – С. 50–58.5. Аврунин, А.С. Наноуровневый механизм жесткости и прочности кости / А.С. Аврунин, Р.М. Тихилов, Л.К. Паршин, И.И. Шубняков // Травматология и ортопедия России. – 2008. – № 2. – С. 77–83.6. Аврунин, А.С. Иерархическая организация скелета – фактор, регламентирующий структуру усталостных повреждений. Часть II. Гипотетическая модель формирования и разрушения связей между объединениями кристаллитов / А.С. Аврунин, Р.М. Тихилов, Л.К. Паршин, Б.Е. Мельников // Травматология и ортопедия России. – 2010. – № 1. – С. 48–57.7. Аврунин, А.С. Иерархия спиральной организации структур скелета. Взаимосвязь структуры и функции. / А.С. Аврунин [и др.] // Морфология. – 2010. – № 6. – С. 69–75.8. Аврунин, А.С. О физической природе жёсткости и прочности костной ткани / А.С. Аврунин [и др.] // Научно-технические ведомости СПбГПУ. – 2010. – Т. 106б, № 3. – С. 205–210.9. Беляев, Н. М. Сопротивление материалов / Н. М. Беляев. – М. : Наука, 1976. – 608 с.10. Броек, Д. Основы механики разрушения / Д. Броек – М. : Высшая школа, 1980. – 368 с.11. Денисов-Никольский, Ю.И. Актуальные проблемы теоретической и клинической остеоартрологии / Ю.И. Денисов-Никольский, С.П. Миронов, Н.П. Омельяненко, И.В. Матвейчук. – М. : Новости, 2005. – 336 с.12. Писаренко, Г.С. Справочник по сопротивлению материалов. / Г.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.В. Матвеев. – Киев : Наукова думка, 1975. – 704 с.13. Akkus, O. Fracture mechanics of cortical bone tissue: a hierarchical perspective / O. Akkus, Y. N. Yeni, N. Wasserman // Biomed. Engineering. – 2004. – Vol. 32, N 5-6. – P. 379–425.14. Arlot, M.E. Microarchitecture influences microdamage accumulation in human vertebral trabecular bone / M.E. Arlot [et al.] // J. Bone Miner. Res. – 2008. – Vol. 23, N. 10. – P. 1613–1618.15. Beck, T.J. Stress fracture in military recruits: gender differences in muscle and bone susceptibility factors / T.J. Beck [et al.] // Bone. – 2000. – Vol. 27, N 3. – P. 437–444.16. Boyce, T.M. Cortical aging differences and fracture implications for the human femoral neck / T.M. Boyce, R.D. Bloebaum // Bone. – 1993. – Vol. 14, N 5. – P. 769–778.17. Boyce, T.M. Damage type and strain mode associations in human compact bone bending fatigue / T.M. Boyce [et al.] // J. Orthop. Res. – 1998. – Vol. 16, N 3. – P. 322–329.18. Boyde, A. The real response of bone to exercise / A. Boyde // J. Anat. – 2003. – Vol. 203. – P. 173–189.19. Burr, D.B. Validity of the bulk-staining technique to separate artifactual from in vivo bone microdamage / D.B. Burr, T. Stafford // Clin. Orthop. – 1990. – N 260. – P. 305–308.20. Burr, DB. Bone microdamage and skeletal fragility in osteoporotic and stress fractures / D.B. Burr [et al.] // J. Bone Miner. Res. – 1997. – Vol. 12, N 1, – P. 6–15.21. Burr, D.B. The contribution of the organic matrix to bone's material properties / D.B. Burr // Bone. – 2002. –Vol. 31, N 1. – P. 8–11.22. Chapurlat, R.D. Bone microdamage: a clinical perspective / R.D. Chapurlat, P.D. Delmas // Osteoporosis Int. – 2009. – Vol. 20, N 8. – P. 1299–1308.23. Currey, J.D. Stress concentrations in bone / J.D. Currey // Quarterly J. Microscop. Science. – 1962. – Vol. 103, P. 1. – P. 111–133.24. Currey, J. Sacrificial bonds heal bone / J. Currey // Nature. – 2001. – Vol. 414. – P. 699.25. Danova, N.A. Degradation of bone structural properties by accumulation and coalescence of microcracks / N.A. Danova [et al.] // Bone. – 2003. – Vol. 33, N 2. – P. 197–205.26. Dong, X.N. The influence of sacrificial bonds on viscoelastic properties of cortical bone / X.N. Dong [et al.] // 49th Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society, February 2-5, 2003, New Orleans, LA.27. Dong, X.N. Are sacrificial bonds divalent calcium crosslinks between collagen molecules? / X.N. Dong [et al.] // 50th Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society, March 7-10, 2004, San Francisco, CA.28. Fazzalari, N.L. Cancellous bone microdamage in the proximal femur: influence of age and osteoarthritis on damage morphology and regional distribution / N.L. Fazzalari, J.S. Kuliwaba, M.R. Forwood // Bone. 2002. – Vol. 31, N. 6, –P. 697–702.29. Forwood, M.R. Microdamage in response to repetitive torsional loading in the rat tibia / M.R. Forwood, A.W. Parker // Calcif. Tissue Int. – 1989. – Vol. 45. –P. 47–53.30. Frost, H.M. Micropetrosis / H.M. Frost // J. Bone Joint Surg. – 1960. – Vol. 42-A, N. 1. – P.144–150.31. Frost, H.M. Defining osteopenias and osteoporoses: another view (with insights from a new paradigm) / H.M. Frost // Bone. – 1997. – Vol. 20, N 5. – P. 385–391.32. Hazenberg, J.G. Dynamic short crack growth in cortical bone / J.G. Hazenberg, D. Taylor, T.C. Lee // Technol. Health Care. – 2006. – Vol. 14. – P. 393–402.33. Lee, T.C. Detecting microdamage in bone / Lee T.C. [et al.] // J. Anat. – 2003. – Vol. 203. – P. 161–172.34. Martin, R.B. On the significance of remodeling space and activation rate changes in bone remodeling / R.B. Martin // Bone. –1991. – Vol. 12. – P. 391–400.35. Nicolella, D.P. Measurement of microstructural strain in cortical bone / D.P. Nicolella, L.F. Bonewald, D.E. Moravits, J. Lankford // Europ. J. Morphol. – 2005. – Vol. 42, N 1/2. – P. 23–29.36. Parsamian, G.P. Diffuse damage accumulation in the fracture process zone of human cortical bone specimens and its influence on fracture toughness / G.P. Parsamian, T.L. Norman // J. Mater. Sci. Mater. Med. – 2001. – Vol. 12, N 9. – P. 779–783.37. Schaffler, M.B. Stiffness of compact bone: Effects of porosity and density / M.B. Schaffler, D.B. Burr // J. Biomech. – 1988. – Vol. 21, N 1. – P. 13–16.38. Skerry, T.M. Interruption of disuse by short duration walking exercise does not prevent bone loss in the sheep calcaneus / T.M. Skerry, L.E. Lanyon // Bone. – 1995. – Vol. 16, N 2. – P. 269–274.39. Smith, B.L. Molecular mechanistic origin of the toughness of natural adhesives, fibres and composites / B.L. Smith [et al.] // Nature. – 1999. – Vol. 399, N 24. – P. 761–763.40. Taylor, D. Microdamage and mechanical behaviour: predicting failure and remodelling in compact bone / D. Taylor, Т.С. Lee // J. Anat. – 2003. – Vol. 203. – P. 203–211.41. Taylor, D. A model for fatigue crack propagation and remodelling in compact bone / D. Taylor, P.J. Prendergast // Comp. Methods Biomech. Biomed. Engineer. – 2004. – Vol. 7, N 1. – P.9–16.42. Thompson, J.B. Bone indentation recovery time correlates with bond reforming time / J.B. Thompson [et al.] // Nature. – 2001. – Vol. 414, N 13. – P. 773–775.43. Warden, S.J. Aetiology of rib stress fractures in rowers / S.J. Warden, F.R. Gutschlag, H.B. Wajswelner, K.M. Crossley // Sports Med. – 2002. – Vol. 32, N 13. – P. 819–836.44. Wasserman, N. Microcracks colocalize within highly mineralized regions of cortical bone tissue / N. Wasserman, J. Yerramshetty, O. Akkus // Eur. J. Morphol. – 2005. – Vol. 42, N 1/2. – P. 43–51.45. Yeni, Y.N. A rate-dependent microcrack-bridging model that can explain the strain rate dependency of cortical bone apparent yield strength / Y.N. Yeni, D.P. Fyhrie // J. Biomech. – 2003. – Vol. 36, N 9. – P. 1343–1353.46. Zioupos, P. Accumulation of in-vivo fatigue microdamage and its relation to biomechanical properties in ageing human cortical bone / P. Zioupos // J. Microscopy. – 2001. – Vol. 201, N 2. – P. 270–278